本方案建立了一种在MPTP处理的斑马鱼幼虫中进行行为表型分析的范式,用于评估类似帕金森病的运动和非运动功能缺陷。
方法文章
本方案建立了一种在MPTP处理的斑马鱼幼虫中进行行为表型分析的范式,用于评估类似帕金森病的运动和非运动功能缺陷。
本文介绍了一种独特的、多参数行为表型分析方案,用于研究MPTP诱导的斑马鱼幼鱼帕金森病(PD)。在斑马鱼中通过化学方法诱导类帕金森病病理,提供了一个高通量且遗传上易于操作的研究系统,然而大多数研究仅局限于基本的运动能力检测或简单的明暗转换实验。这类有限的方法无法全面捕捉与PD相关的广泛功能障碍,包括运动迟缓、感觉运动缺陷以及类似焦虑的行为和睡眠紊乱。为弥补这一空白,本研究开发了一套由6项互补实验组成的综合检测体系:运动能力测试用于评估总体运动和探索行为;趋壁性分析用于检测与焦虑相关的边缘偏好行为;惊跳反应测试用于记录运动迟缓和运动反应能力受损;明暗挑战实验用于评估冒险行为和应激反应性;光运动反应范式(包括频闪光刺激)用于量化感觉运动和反射性运动;以及睡眠-觉醒调控监测用于测量睡眠-觉醒行为。斑马鱼幼鱼从受精后第1天(dpf)至第5天持续暴露于亚致死浓度的MPTP中,并于4至6 dpf期间开始进行行为学评估。高分辨率自动化追踪系统为每项实验生成多个行为终点指标。该方法揭示了以往未被发现的类帕金森病改变,例如紊乱的睡眠结构、习惯化学习能力受损、感觉运动及反射性运动异常,反映了早期非运动症状。通过整合这些实验,研究人员可以获得更全面的行为症状谱,更真实地模拟人类帕金森病的复杂性。本方案拓展了研究帕金森病发病机制、筛选候选治疗药物以及探究环境调节因素的研究范式,体现了本系列致力于通过稳健、多维度的表型分析展示创新动物模型的目标。
帕金森病(Parkinson's disease, PD)是继阿尔茨海默病之后第二常见的神经退行性疾病1。近年来,其患病率及受累人群数量持续上升,已成为全球重大的公共卫生挑战2。PD 的发病率随年龄增长显著升高3,4。临床上,PD 的表现包括运动症状——如运动障碍、运动迟缓、静止性震颤和姿势不稳——以及多种非运动症状,包括认知功能障碍、焦虑和睡眠障碍5。目前,PD 的诊断主要依赖于运动症状的存在6;然而,当这些症状变得明显时,黑质中的多巴胺能神经元已丧失超过 60%7。尽管非运动症状常更早出现,但缺乏特异且客观的评估标准,使得早期诊断和干预变得复杂8。目前,PD 的主要治疗手段是给予左旋多巴9,该药物在脑内转化为多巴胺,从而补充纹状体中的多巴胺水平。虽然该治疗可暂时缓解症状,但并不能阻止疾病的进展10。因此,进一步开展 PD 发病机制研究和药物筛选至关重要。
建立合适的动物模型对于帕金森病(PD)发病机制的研究以及抗PD药物筛选至关重要。目前,PD研究主要有三种模型:化学诱导模型11、基因编辑模型12和人源异种移植模型13。常用的模式动物包括啮齿类动物(如小鼠)14以及非人灵长类动物(如猴子)15。近年来,斑马鱼(Danio rerio)因其体型小、生长迅速、与人类基因同源性高以及胚胎透明等优势,在PD研究中受到越来越多的关注16。使用神经毒素MPTP(1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶)诱导多巴胺能神经元损伤17,18是构建PD模型的经典方法。斑马鱼在暴露于亚致死浓度的MPTP后,会表现出多种类似PD的行为表型19。
然而,目前大多数斑马鱼帕金森病(PD)研究主要集中于基本的运动行为或简单的明暗转换16,20,而单维度的行为检测方法难以全面反映PD复杂的行為特徵,尤其是非运动功能方面的行为变化。考虑到PD是一种涉及多个神经行为系统而不仅限于运动控制的疾病21,22,23,迫切需要一种多参数行为表型评估方法,以捕捉其多系统的表型特征24。
因此,本研究建立了一种多参数、快速的行为表型分析实验方案,以更全面地描述MPTP处理的斑马鱼幼鱼中类似帕金森病(PD)的行为表型。采用亚致死剂量的MPTP(50 µM)25处理受精后1至5天(dpf)的幼鱼16,20,26。在4至6 dpf期间16,20,24,我们进行了6项行为学测试:睡眠-觉醒调节监测、光运动反应范式、接触性趋避行为评估、运动能力评估、惊跳反应测试以及明暗转换挑战实验。这些行为评估涵盖了运动和非运动两个方面,包括运动障碍、感觉运动功能、习惯化学习、冒险行为、应激反应性以及睡眠-觉醒节律等指标。
利用 Zebrabox 高通量视频追踪系统及定量分析方法,我们提取并量化了多种行为学参数,并通过统计学方法比较了 MPTP 处理组与野生型(WT)组之间的行为差异。与现有的斑马鱼帕金森病(PD)检测方法相比,该多参数行为学检测体系可在标准化框架内同时捕捉运动和非运动表型。自动化追踪系统确保了行为数据采集的客观性和高重复性。此外,幼鱼体型较小,可将个体分别置于多孔板中,从而实现高通量评估。上述优势有助于深入分析帕金森病的病理机制、筛选候选药物或化合物,以及探究环境因素对帕金森病发生或发展的影响。
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本项涉及斑马鱼的研究严格遵循机构关于动物护理和使用的指导原则,并已获得山东大学药学院伦理委员会批准(编号:YXDW2025-0056)。所用试剂和设备列于材料表中。
1. MPTP 的制备
2. 斑马鱼胚胎的制备与分组
3. 睡眠-觉醒调节监测
4. 光运动反应范式
注意:光运动反应范式(包括频闪光)是一种高通量行为检测方法,用于量化5天龄幼鱼在光照突然变化时的感知运动和反射性运动反应。该实验使用96孔板进行,包含两个范式:(1)光照条件从1分钟黑暗转为1分钟恒定光照(1000 lx);(2)频闪光反应,即从1分钟黑暗转为1分钟频率为10 Hz的频闪光照。
5. 触壁行为的评估


6. 运动功能评估
7. 惊吓反应测试
注意:本实验检测视觉惊吓反应(VSR),也称为暗闪光诱发的惊吓反应,由突然转入黑暗的刺激引发。该惊吓反应测试旨在评估由突然的、毫秒级暗闪光所诱发的光诱发性视觉惊吓反应。与通过重复光脉冲来评估持续性行为反应的暗闪烁光范式不同,本检测方法侧重于对急性视觉刺激产生的快速反射性运动反应。
8. 明暗挑战实验
9. MPTP 废物的处理
注意:每次行为学实验后,需使用新配制的次氯酸钠溶液(漂白剂;≥10% v/v)喷洒并擦拭接触过MPTP的表面(例如实验台和ZebraBox)。
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睡眠-觉醒调节监测
52小时的睡眠-觉醒调节监测从受精后4天(4 dpf)开始,使用96孔板进行。与野生型(WT)组相比,MPTP处理组斑马鱼的睡眠结构表现出显著紊乱。图2展示了代表性的睡眠曲线、觉醒活动图谱及平均活动轨迹。斑马鱼幼鱼睡眠-觉醒调节分析的各项参数见图3。MPTP组的总睡眠时间较WT组显著增加(p < 0.01,Student's t检验)。MPTP组的睡眠片段数量较WT组减少(p < 0.001),而平均睡眠片段持续时间则显著延长(p < 0.0001)。两组间的睡眠潜伏期无显著差异。MPTP组的觉醒活动也受到显著影响(p < 0.01),平均活动水平降低(p < 0.01)。
光运动反应范式
在5 dpf时,采用96孔板光运动反应实验评估恒定光照和频闪光照条件下感觉运动门控功能。图4A
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本研究建立并验证了一种全面的实验方案,用于评估和分析MPTP诱导的帕金森病样行为表型。该方案整合了6种不同的测试方法:运动能力评估、趋壁行为检测、惊吓反应测试、光运动反应范式(包括频闪光刺激)、明暗挑战实验以及睡眠-觉醒调节监测,以系统评价和描述帕金森病的运动与非运动功能缺陷。结果表明,与野生型(WT)组相比,经MPTP处理的斑马鱼幼鱼表现出运动和非运动相关的行为改变,包括活动减少、感觉运动反应受损以及睡眠-觉醒节律紊乱,这些均类似于帕金森病样症状。这些发现证明了斑马鱼模型的可靠性,以及该多行为测试方法在捕捉帕金森病样症状方面的可行性与实用性。
实验从1 dpf的斑马鱼胚胎制备开始。幼虫分别暴露于50 µM MPTP(MPTP处理组)或E3胚胎培养基(WT组),随后在4至6 dpf期间进行行为学评估。以下是各项测试的具体结果与解释:
睡眠-觉醒调节监测
从受精后第4天开始,使用96孔板对斑马鱼幼鱼持续监测52小时,以测量其睡眠-觉醒节律。结果显示,暴露于MPTP的幼鱼表现出紊乱的睡...
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作者声明无利益冲突。
本工作得到了国家自然科学基金(编号:21906095)、山东大学青年学者未来计划资助、山东省自然科学基金(编号:ZR2019BB018)、山东大学基本科研业务费专项资金(编号:2017GN0030)、中国博士后科学基金(编号:2018M640640)的资助。同时获得数字福建老年康复与护理大数据研究所2025年开放研究基金(项目编号:BDRI202502)和南开大学教育部生物活性材料重点实验室2025年开放研究基金(项目编号:SWHX-202503)的支持。济南微生态生物医学山东省实验室科研项目(项目编号:JNL-2023002KF)。 作者谨此感谢山东大学齐鲁医院实验动物中心以及山东大学齐鲁医院临床检验科孙承希博士在实验过程中提供的帮助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 100× E3 储存液 | 上海飞兮生物科技有限公司 | N/A | 每升含 34.8 g NaCl、1.6 g KCl、5.8 g CaCl2·2H2O 和 9.78 g MgCl2·6H2O |
| 12 孔细胞培养板 | NEST 生物科技 | 712011 | 未经处理、无热原、无菌、聚苯乙烯材质。用于斑马鱼幼鱼行为学检测 |
| 24 孔细胞培养板 | NEST 生物科技 | 702011 | 未经处理、无热原、无菌、聚苯乙烯材质。用于斑马鱼幼鱼行为学检测 |
| 3 mL 巴斯德吸管 | Biologix | 30-0238A1 | |
| 6 孔细胞培养板 | NEST 生物科技 | 703011 | 未经处理、无热原、无菌、聚苯乙烯材质。用于斑马鱼幼鱼行为学检测 |
| 96 孔细胞培养板 | NEST 生物科技 | 701011 | 未经处理、无热原、无菌、聚苯乙烯材质。用于斑马鱼幼鱼行为学检测 |
| MATLAB R2020a | MathWorks, USA | N/A | MATLAB R2020a,通过山东大学软件门户(softms.sdu.edu.cn)获取的校园范围许可证。用于斑马鱼幼鱼行为数据的统计分析。 |
| Microsoft Excel | Microsoft | N/A | Microsoft Excel(Microsoft Office 组件之一),通过山东大学授权软件门户(softms.sdu.edu.cn)安装的版本。 |
| MPTP(1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶) | Beyotime | 41125281 | 5 mg |
| 培养皿 | NEST 生物科技 | 704202 | 100 mm,无菌,带易握手柄,TC 处理 |
| 次氯酸钠溶液 | 麦克林 | S817439 | 市售漂白剂原液(有效氯含量 6–14%),稀释至 ≥10% v/v 用于表面和废弃物去污;也按 1:5(6% 漂白剂 : 水)稀释用于安乐死处理 MPTP 处理的斑马鱼幼鱼。 |
| 体视显微镜 | Olympus | SZX2 系列 | |
| Zebrabox 高分辨率视频追踪系统 | Viewpoint, France | N/A | |
| Zebralab 软件 | Viewpoint, France | N/A | 版本 (3,52,3,87) |
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